JP2022543718A - 絶縁及び放熱性能に優れたバスバー及びそれを備えたバッテリーモジュール - Google Patents

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Abstract

本発明によるアルミニウムバスバーは、酸化被膜絶縁層を備える絶縁部と、絶縁部を介在して電気伝導性を有する通電部と、を含む。また、本発明によるバッテリーモジュールは、アルミニウムバスバーと、バッテリーセルを備えるセルアセンブリと、アルミニウムバスバーを介してセルアセンブリと電気的に接続される電装部品と、セルアセンブリの一側に配置されてセルアセンブリと熱交換するヒートシンクと、を含み、アルミニウムバスバーの絶縁部はヒートシンクの一面と接触して配置される。

Description

本発明は、バスバー及びそれを備えたバッテリーモジュールに関し、より具体的には、絶縁及び放熱性能に優れたバスバーを電気的接続手段として用いたバッテリーモジュールに関する。
本出願は、２０１９年８月１２日付け出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００９８３２１号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
現在、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などの二次電池が商用化しているが、中でもリチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であって、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
近年、携帯型電子機器のような小型装置だけでなく、自動車や電力貯蔵システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ：ＥＳＳ）のような中大型装置にも二次電池が広く用いられている。このような中大型装置に用いられる場合、容量及び出力を高めるため、多数の二次電池を電気的に接続してバッテリーモジュールまたはバッテリーパックを構成する。
一方、バッテリーモジュールまたはバッテリーパックの大電流通電のための電気的接続手段としてバスバーが広く用いられている。
バスバーは、通常、一定の幅、厚さ及び長さを有し、電気伝導率の良い金属材質のバー形態であって、大電流通電時にも安全であってエネルギー損失が少ない。バスバーには殆ど大電流が流れるため、絶縁または被覆せずにそのまま使用する場合、組立、メンテナンスまたは交換作業の際、作業者が不注意すると感電事故につながるおそれがある。そこで、図１に示されたように、バスバー１をチューブ２で囲むか又はプラスチックカバーで囲んで絶縁性を確保している。
しかし、バスバー１に流れる電流が強過ぎると、バスバーの自体発熱のため、チューブ２またはプラスチックカバーが融けて本来の機能を果たせない状態になり得る。さらに、バスバーの発熱によってチューブ２またはプラスチックカバーが発火し、周辺に被害が拡散することもあり得る。
このような現象を予め防止するためには、バスバー１を冷却してその温度を一定温度以下に管理する必要がある。しかし、従来のバスバー１は、ヒートシンクのような冷却媒体に直接接触させて冷却しようとしても、接触部位が絶縁性を有し、さらに１Ｗ／ｍＫ未満の低い熱伝導度のチューブまたはプラスチックで囲まれていることから、熱伝達が十分に行われないという問題がある。
本発明は、バスバーの絶縁及び放熱を効果的に管理し、さらにバッテリーモジュールの安全性を確保することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
本発明の一態様によれば、酸化被膜絶縁層を備える絶縁部と、絶縁部を介在して電気伝導性を有する通電部と、を含むアルミニウムバスバーが提供される。
絶縁部は、表面に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層が形成されたものであり得る。
本発明の他の態様によれば、アルミニウムバスバーと、バッテリーセルを備えるセルアセンブリと、アルミニウムバスバーを介してセルアセンブリと電気的に接続される電装部品と、セルアセンブリの一側に配置されてセルアセンブリと熱交換するヒートシンクと、を含み、アルミニウムバスバーの絶縁部はヒートシンクの一面と接触して配置されるバッテリーモジュールが提供される。
電装部品を載置するための電装品ハウジングをさらに含み、アルミニウムバスバーの通電部は電装品ハウジングに取り付けられ、電装品ハウジングはヒートシンクに取り付けられ得る。
電装品ハウジングは、ヒートシンクと対面して接触するベースプレートを備え、ベースプレートは他の箇所よりも凸設されて端部から中心方向に延びているトンネル部を備え、絶縁部の一部分はトンネル部内に挿入されて支持され得る。
絶縁部の一部分は、ベースプレートで覆われた状態でヒートシンクの一面に接触して配置され得る。
トンネル部の終端部の前にベースプレートの板面を貫通するバスバー貫通孔が備えられ、通電部はバスバー貫通孔を通過して少なくとも１回以上折り曲げられて電装部品の電極ターミナルに接続され得る。
セルアセンブリは、バッテリーセルを内部に収容するセルケースをさらに含み、セルケースはヒートシンクの他面と接触し得る。
アルミニウムバスバーの絶縁部とヒートシンクとの間に介在されるシリコーンゲル状の熱伝導パッドをさらに含み得る。
本発明のさらに他の様態によれば、上述したバッテリーモジュールを含むバッテリーパックが提供される。
本発明の一態様によれば、絶縁性及び放熱性に優れたバスバーを提供することができる。
本発明の他の態様によれば、バスバーとバッテリーセルの温度管理が可能になって安全性が向上したバッテリーモジュールを提供することができる。
特に、バッテリーモジュールは、一つのヒートシンクでバスバーとバッテリーセルとを同時に冷却することで冷却部品数が節減でき、それによって空間効率性が向上することができる。
本発明の効果は上記の効果に限定されず、他の効果は本明細書及び添付された図面から当業者に明確に理解できるであろう。
従来技術によるバスバーを示した斜視図である。 本発明によるアルミニウムバスバーの製作工程を説明する図である。 図２のアルミニウムバスバーを冷却するための載置例を示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの概略的な部分斜視図である。 図４のＩ－Ｉ'矢視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの電装品ハウジングの一部分を概略的に示した平面図である。 図６の電装部品にアルミニウムバスバーを取り付けた様子を示した平面図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
本発明の実施形態は、通常の技術者に本発明をより完全に説明するために提供されるものであるため、図面における構成要素の形状及び大きさなどは明確な説明のために誇張、省略または概略して図示され得る。したがって、各構成要素の大きさや比率は実際の大きさや比率を専ら反映するものではない。
図２は本発明によるアルミニウムバスバーの製作工程を説明する図であり、図３は図２のアルミニウムバスバーを冷却するための載置例を示した図である。
これら図面を参照すると、本発明によるバスバーは、アルミニウムバスバー１００であって、酸化被膜絶縁層を備える絶縁部１１０、及び絶縁部１１０を介在して電気伝導性を有する通電部１２０を含む。
絶縁部１１０は、通電部１２０を除いた部分であって、その表面が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層で形成され得る。酸化アルミニウム層は、アルミニウムバスバー１００の表面を陽極酸化（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）処理して形成し得る。ここで、陽極酸化は、アルミニウムの表面後処理方式であって、アルミニウムと酸素とが反応して起きる自然的な酸化過程を、電気－化学反応を用いて人為的に行ってアルミニウムの表面に酸化物被覆を形成することである。例えば、アルミニウムに電極を連結して電解質に浸漬すると、酸化アルミニウム被膜が均一に得られる。
以下、図２を参照して本発明によるアルミニウムバスバー１００の製作過程を概略的に説明する。
まず、図２の（ａ）のように、アルミニウムで一定の厚さ、幅及び長さを有するバスバー１００ａを製作する。通電部１２０は、アルミニウムバスバー１００の両端部に該当する部分であって、孔１０１を備える。孔１０１には、外部装置の端子または他のバスバーとの接続の際、ボルトＢが挿入され得る。
本実施形態では直線型バスバーを例示したが、バスバーが使用される場所などに応じて、折り曲げ、ベンディング、ツイストなどの多様な経路を有するように製作され得る。
その後、図２の（ｂ）のように、通電部１２０にマスキングテープＭを貼り付けるか又は化学的マスキング剤を使用して通電部１２０をマスキング処理し、残りの部分の表面を陽極酸化処理する。
その後、図２の（ｃ）のように、マスキングテープＭを除去することでアルミニウムバスバーの製作工程が終了する。
酸化アルミニウムは耐食性、耐磨耗性及び電気絶縁性を有し、熱伝導度も約２０Ｗ／ｍｋと高い。本発明によるアルミニウムバスバー１００は、このような酸化アルミニウムで絶縁部１１０が表面処理されているため、絶縁部１１０の表面に金属が接触しても通電しない。また、アルミニウムバスバー１００自体が発熱するとき、絶縁部１１０の酸化アルミニウム層を通じて外部に熱が円滑に放熱できる。
以下、図３を参照してアルミニウムバスバー１００の使用例を説明する。
一般的なアルミニウムまたは銅のバスバーは、絶縁問題または被覆問題のため、クーリングプレートやヒートシンク３００に直接接触し難いか又は不可能である。しかし、本発明による陽極酸化処理したアルミニウムバスバー１００は、上述したように絶縁性及び放熱性が優れるため、クーリングプレートやヒートシンク３００に直接接触可能である。
例えば、図３のように、本発明のアルミニウムバスバー１００は、電装部品４００の電極ターミナルまたは他のバスバーＴ１、Ｔ２にボルトＢで締結されて接続され得る。
参考までに、上述した酸化アルミニウム層は絶縁部１１０の表面に設けられるため、図３に示した電流の流れのように、アルミニウムバスバー１００を通じる通電には問題がない。
アルミニウムバスバー１００に流れる大電流による熱を放熱するためのバスバー冷却構成として、アルミニウムバスバー１００を一部分が開放された電装品ハウジング５００に取り付け、開放された空間を通じてアルミニウムバスバー１００の絶縁部１１０をヒートシンク３００と接触させるように構成することができる。また、絶縁部１１０とヒートシンク３００との間の熱伝導率をより高めるため、熱伝導パッド６００をさらに介在させてもよい。
ヒートシンク３００は、アルミニウムバスバー１００と接触してアルミニウムバスバー１００の熱を吸収できるものであれば特に制限されないが、本実施形態ではヒートシンク３００として内部に複数の流路３１０を備えたクーリングプレートを採用した。
図４は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの概略的な部分斜視図であり、図５は図４のＩ－Ｉ'矢視図であり、図６は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの電装品ハウジングの一部分を概略的に示した平面図であり、図７は図６の電装部品にアルミニウムバスバーを取り付けた様子を示した平面図である。
以下では、これら図面を参照して上述したアルミニウムバスバー１００を適用したバッテリーモジュール１０をより具体的に説明する。
図４を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０は、少なくとも一つのアルミニウムバスバー１００、セルアセンブリ２００、ヒートシンク３００、電装部品４００及び電装品ハウジング５００を含んで構成され得る。
セルアセンブリ２００は、複数のバッテリーセル２１０、及びバッテリーセル２１０を内部空間に収容するセルケース２２０を含み得る。
バッテリーセル２１０としてはパウチ型二次電池が採用され得る。パウチ型二次電池セルは、セルケース２２０の内部空間に積層して配置できるため、エネルギー密度を高めるのに有利である。
また、パウチ型二次電池セルは、各セルの周縁がセルケース２２０に当接して収納されるため、各セルの熱がセルケース２２０を通じてヒートシンク３００に放熱できる。勿論、バッテリーセル２１０がパウチ型バッテリーセル２１０に限定されることなく、例えば円筒型二次電池セルまたは角形二次電池セルなどを採用してもよい。
セルケース２２０は、バッテリーセル２１０を収納し、外部の衝撃からバッテリーセル２１０を保護する役割を果たす。このようなセルケース２２０は、耐衝撃性を有し且つバッテリーセル２１０の熱を円滑に放熱できるように、金属素材で設けられることが望ましい。
ヒートシンク３００は、セルアセンブリ２００の一側に配置され、セルアセンブリ２００と熱交換する役割を果たす。本実施形態のヒートシンク３００は、冷媒が流動可能な流路を内部に備えて周辺の熱を吸収できるように設けられた。冷媒としては潜熱の高い水が望ましいが、流路に沿って流れながら吸熱できる物質であれば特に制限されない。
電装部品４００は、バッテリーセル２１０の動作を制御するための構成要素であって、例えばバッテリーモジュール１０の電流を制御するためのリレー、電流の大きさを感知するための電流センサなどであり得る。電装部品４００は電装品ハウジング５００に収納されるか又は取り付けられ得、電装品ハウジング５００はセルケース２２０またはヒートシンク３００と結合されるように設けられ得る。
このような電装部品４００は、アルミニウムバスバー１００を介してセルアセンブリ２００と電気的に接続され得る。例えば、セルアセンブリ２００の電極ターミナル（図示せず）とリレーの電極ターミナル４１０とはアルミニウムバスバー１００によって接続され得る。すなわち、アルミニウムバスバー１００がセルアセンブリ２００の電極ターミナル（図示せず）とリレーの電極ターミナル４１０との間の電流経路を形成する役割を果たす。
特に、本発明によるバッテリーモジュール１０は、図４及び図５に示されたように、ヒートシンク３００の一面にアルミニウムバスバー１００の絶縁部１１０を接触させ、ヒートシンク３００の他面にセルケース２２０を接触させることで、一つのヒートシンク３００でアルミニウムバスバー１００とバッテリーセル２１０とを同時に冷却できるように構成されている。
以下、バッテリーセル２１０を冷却するヒートシンク３００がアルミニウムバスバー１００も一緒に冷却するためのバッテリーモジュール１０の組み立て構造を具体的に説明する。
図６のように、電装品ハウジング５００は、ヒートシンク３００と対面して接触するように板状のベースプレート５１０を含む。ベースプレート５１０の中心部にリレーのような電装部品４００が取り付けられ得る。便宜上図示していないが、ベースプレート５１０がより広い面積で設けられ、電装部品４００がさらに取り付けられてもよい。そして、電装品ハウジング５００は、ベースプレート５１０の上部を覆うハウジングカバー（図示せず）をさらに含み得る。
本実施形態のベースプレート５１０は、アルミニウムバスバー１００の効率的な固定及び接続のためにトンネル部５１１を備える。トンネル部５１１は、ベースプレート５１０の端部から中心方向にベースプレート５１０の他の箇所よりも凸設された部分である。換言すると、トンネル部５１１は、ベースプレート５１０上で凹凸構造を成している部分であると言える。このようなトンネル部５１１の終端部の前には、ベースプレート５１０の板面を貫通するバスバー貫通孔５１３が設けられる。
図７のように、アルミニウムバスバー１００は、絶縁部１１０の一部分がトンネル部５１１内に介在され、通電部１２０は絶縁部１１０から直角に折り曲げられてバスバー貫通孔５１３を通過し、再び折り曲げられて電装部品４００の電極ターミナルの上面に配置されるように設けられ得る。
このような構成によれば、アルミニウムバスバー１００は、絶縁部１１０の一部分がトンネル部５１１内に介在されてベースプレート５１０の背面に支持された状態で置かれ、通電部１２０がベースプレート５１０の前面で電装部品４００の電極ターミナルにボルトＢで締結されて固定される構造で電装品ハウジング５００と組み立てられ得る。
上記のように組み立てられたアルミニウムバスバー１００と電装部品４００及び電装品ハウジング５００とは、一体として、ヒートシンク３００が取り付けられたセルアセンブリ２００に固定され得る。例えば、ベースプレート５１０の複数のボルト締結用孔５１２をヒートシンク３００の電装品ハウジング固定用孔（図示せず）にそれぞれ一致させてボルトＢで締結する方式が採用され得る。
図４及び図５を再び参照すると、トンネル部５１１内に介在される絶縁部１１０の一部分は、ベースプレート５１０で覆われて押された状態でヒートシンク３００の一面に接触するため、アルミニウムバスバー１００の絶縁部１１０とヒートシンク３００との間の接触性及び固定性を十分に確保可能であることが分かる。
アルミニウムバスバー１００の絶縁部１１０とヒートシンク３００との間にシリコーンゲル状の熱伝導パッド６００をさらに介在させることで、接触性、固定性及び熱伝導性を一層向上させることもできる。
このような構成を有する本発明のバッテリーモジュール１０は、バッテリーセル２１０の温度を適切に管理できるだけでなく、陽極酸化処理したアルミニウムバスバー１００を使用することでアルミニウムバスバー１００をヒートシンク３００に直接接触させて冷却でき、電気的安全性がより向上することができる。
特に、本発明のバッテリーモジュール１０は、一つのヒートシンク３００でバスバーとバッテリーセル２１０とを同時に冷却することで冷却部品数が節減でき、それによって空間効率性が向上することができる。
一方、本発明によるバッテリーパックは、上述した本発明によるバッテリーモジュール１０を少なくとも一つ含むように構成され得る。バッテリーパックは、それぞれのバッテリーモジュール１０の充放電を制御するための各種の装置、例えばバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）、電流センサ、ヒューズなどをさらに含むことができる。
本発明によるバッテリーパックは、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用できる。勿論、本発明によるバッテリーパックは、電力貯蔵装置またはその他のＩＴ製品群などにも適用できる。
以上、本発明の望ましい実施形態を図示して説明したが、本発明が上述した特定の望ましい実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく当業者であれば多様に変形実施することができ、そのような変更が特許請求の範囲の範囲内にあることは言うまでもない。
一方、本明細書において、上、下、左、右などのように方向を示す用語が使われたが、このような用語は説明の便宜上用いられたものに過ぎず、観測者の位置や対象の位置などによって変わり得ることは当業者にとって自明である。

Claims (10)

  1. アルミニウムバスバーであって、
    酸化被膜絶縁層を備える絶縁部と、
    前記絶縁部を介在して電気伝導性を有する通電部と、を含む、アルミニウムバスバー。
  2. 前記絶縁部には、前記酸化被膜絶縁層として表面に酸化アルミニウム層が形成されている、請求項１に記載のアルミニウムバスバー。
  3. 請求項１または２に記載のアルミニウムバスバーと、
    バッテリーセルを備えるセルアセンブリと、
    前記アルミニウムバスバーを介して前記セルアセンブリと電気的に接続される電装部品と、
    前記セルアセンブリの一側に配置されて前記セルアセンブリと熱交換するヒートシンクと、を含み、
    前記アルミニウムバスバーの前記絶縁部は、前記ヒートシンクの一面と接触して配置される、バッテリーモジュール。
  4. 前記電装部品を載置するための電装品ハウジングをさらに含み、
    前記アルミニウムバスバーの前記通電部は、前記電装品ハウジングに取り付けられ、
    前記電装品ハウジングは、前記ヒートシンクに取り付けられる、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記電装品ハウジングは、前記ヒートシンクと対面して接触するベースプレートを備え、前記ベースプレートは、他の箇所よりも凸設されて端部から中心方向に延びているトンネル部を備え、
    前記絶縁部の一部分は、前記トンネル部内に挿入されて支持される、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記絶縁部の一部分は、前記ベースプレートで覆われた状態で前記ヒートシンクの一面に接触して配置される、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記トンネル部の終端部の前に前記ベースプレートの板面を貫通するバスバー貫通孔が備えられ、前記通電部は前記バスバー貫通孔を通過して少なくとも１回以上折り曲げられて前記電装部品の電極ターミナルに接続される、請求項５または６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記セルアセンブリは、前記バッテリーセルを内部に収容するセルケースをさらに含み、前記セルケースは、前記ヒートシンクの他面と接触する、請求項３から７のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記アルミニウムバスバーの前記絶縁部と前記ヒートシンクとの間に介在されるシリコーンゲル状の熱伝導パッドをさらに含む、請求項３から８のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  10. 請求項３から９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含むバッテリーパック。
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